Reduced Basis Method for Poisson-Boltzmann Equation
Workshop in Industrial and Applied Mathematics, WIAM16 Cleophas Kweyu, Lihong Feng, Matthias Stein, Peter Benner
September 01, 2016
Partners:
Reduced Basis Method for Poisson-Boltzmann Equation Workshop in - - PowerPoint PPT Presentation
Reduced Basis Method for Poisson-Boltzmann Equation Workshop in Industrial and Applied Mathematics, WIAM16 Cleophas Kweyu, Lihong Feng, Matthias Stein, Peter Benner September 01, 2016 Partners: Outline 1. Motivation 2. Introduction 3.
Partners:
Cleophas Kweyu, kweyu@mpi-magdeburg.mpg.de WIAM16, August 31- September 2, 2016 2/24
[Holst ’94]
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Figure: 2-D view of the 3-D Debye-H¨ uckel model.
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[Holst ’94]
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PBE
c
Nm
c
Nm
8πe2
c I
1000ǫkBT , (I = µ) = 1 2
i=1 ciz2 i ,
kBT .
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Figure: PBE coefficients
Source: Introduction to Molecular Electrostatics with APBS, Robert Konecny
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[Fogolari et al ’99,Holst ’94]
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LPBE
c
Nm
Applications of the PBE and LPBE
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[Simakov2013]
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− 1 dx2 ǫi+ 1
2 ,j,k(ui+1,j,k − ui,j,k) +
1 dx2 ǫi− 1
2 ,j,k(ui,j,k − ui−1,j,k) −
1 dy2 ǫi,j+ 1
2 ,k(ui,j+1,k − ui,j,k)
+ 1 dy2 ǫi,j− 1
2 ,k(ui,j,k − ui,j−1,k) −
1 dz2 ǫi,j,k+ 1
2 (ui,j,k+1 − ui,j,k) +
1 dz2 ǫi,j,k− 1
2 (ui,j,k − ui,j,k−1)
+ ¯ k2
i,j,kui,j,k = Cqi,j,k.
(3)
(a) Discretization of continuous variables (b) Molecular surfaces and volumes
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[Benner et al ’2015, Eftang ’2011]
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Model Reduction: FOM to ROM
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[Hesthaven et al 2014]
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1: Choose µ∗ ∈ Ξ arbitrarily 2: Solve FOM for uN (µ∗) 3: S1 = {µ∗}, V1 = [uN (µ∗)], N = 1 4: while max
µ∈Ξ ∆N(µ) ≥ ǫ do
5:
µ∈Ξ ∆N(µ)
6:
7:
8:
9:
10: end while
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Nonaffine parameter dependence
Consider the reduced order model (ROM);
N×1
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[Chaturantabut 2010]
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Figure: Decay of singular values
l
σi
l
σi
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[Volkwein 2010]
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i }r i=1 of rank r from UF which solves,
{uF
i }r i=1
j=1 xj − r i=1xj, uF i uF i 2 2,
N×1
r×1
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[Chaturantabut 2010]
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i }r i=1 for F.
1: ℘1 = arg max{|uF
1 |},
2: UF = [uF
1 ], P = [e℘1],
3: for i = 2 to r do 4:
i for α, where α = (α1, . . . , αi−1)T,
5:
i − UFα,
6:
7:
i ], P ← [P e℘i],
8: end for
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[Feng et al 2016, Wirtz et al 2014]
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F(:, r + 1 : r∗) and ˜
F = [UF, ˜
F((P∗)TU∗ F)−1(P∗)Tb(µ).
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[Quarteroni et al 2016]
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N
N
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[Quarteroni ’2015]
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Figure: Relative residual for PCG
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Figure: uN (µ) at µ = 0 Figure: uN (µ) at µ = 0.05
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Figure: uN (µ) at µ = 0.15 Figure: uN (µ) at µ = 0.5
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Computational time to solve uN(µ) is ≈ 0.065 seconds on average. True error = uN(µ) − uN(µ)2, ∆max
N
(µ) = max
µ∈Ξ rN(uN; µ)2, Relative ∆max N
(µ) =
∆max
N
(µ) uN(µ∗)2 . µ∗ = arg max µ∈Ξ rN(uN; µ)2.
True error Maximal error 1 2 3 4 5 6 10−5 10−3 10−1 101 103 Reduced Dimension N
(a) Maximal versus true error
1 2 3 4 5 6 10−9 10−7 10−5 10−3 10−1 Reduced Dimension N
(b) Relative ∆max
N
(µ) vs true error Figure: Comparison between true error and maximal error Cleophas Kweyu, kweyu@mpi-magdeburg.mpg.de WIAM16, August 31- September 2, 2016 20/24
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Figure: Error estimate versus true error
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Figure: Absolute error at µ = 0.05101
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Conclusions
Outlook
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[Quarteroni et al 2016]
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Figure: RB workflow
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